Dove struttura e ornamento si fondono

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno fabbricato una soletta in calcestruzzo leggero di 80 metri quadrati nell'ambito della DFAB House. Si tratta del primo progetto architettonico in scala reale al mondo per il quale è stata utilizzata la stampa 3D della sabbia per le casseforme.

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Video: ETH di Zurigo

Appena 20 millimetri di spessore nei punti più sottili, nervature decorative e un peso pari alla metà di quello di un soffitto in calcestruzzo convenzionale: con "Smart Slab", il nome dice tutto. La lastra combina i punti di forza strutturali del calcestruzzo con le possibilità di progettazione flessibile della stampa 3D. Smart Slab è stata sviluppata dal gruppo guidato da Benjamin Dillenburger, professore assistente di tecnologie digitali per l'edilizia all'ETH di Zurigo. Smart Slab è uno degli elementi centrali dell'unità residenziale DFAB House (vedi riquadro) ed è stato recentemente installato nell'edificio di ricerca e innovazione NEST di Empa ed Eawag a Dübendorf. Gli 80 m2-La grande lastra da 15 tonnellate è composta da un totale di undici segmenti di calcestruzzo e collega il seminterrato con le costruzioni in legno a due piani sovrastanti.

Solo la quantità di calcestruzzo necessaria

La stampa 3D del cemento sta vivendo un grande boom in architettura. Intere case vengono già stampate strato per strato. Nel progetto Smart Slab, tuttavia, i ricercatori non hanno prodotto gli elementi edilizi stessi con la stampa 3D, ma piuttosto la loro cassaforma, cioè lo stampo negativo. Hanno lavorato con una stampante 3D a sabbia di grande formato; gli elementi della cassaforma sono quindi una sorta di pietra arenaria artificiale. I vantaggi rispetto al processo di stampa del calcestruzzo sono la possibilità di utilizzare calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni e la possibilità di rimuovere la struttura con precisione millimetrica.

Il principio strutturale di Smart Slab è una griglia gerarchica di nervature. Il soffitto è sponsorizzato dalla parete Mesh Mould e sporge lateralmente. (Immagine: ETH di Zurigo / Andrei Jipa)
Il principio strutturale di Smart Slab è una griglia gerarchica di nervature. Il soffitto è sponsorizzato dalla parete Mesh Mould e sporge lateralmente. (Immagine: ETH di Zurigo / Andrei Jipa)

La produzione di casseforme è la fase della costruzione del calcestruzzo che richiede più manodopera, soprattutto per i componenti non standardizzati. Poiché il calcestruzzo è economico e facilmente reperibile, l'industria delle costruzioni è tentata di produrre sempre le stesse solide lastre, ma il rovescio della medaglia è l'elevato consumo di materiale e quindi un bilancio di CO2 insufficiente. I metodi di produzione digitale possono dare un contributo fondamentale in questo senso: ottimizzano i componenti in modo da ottenere la stabilità necessaria con una quantità di materiale notevolmente inferiore. La complessità della geometria di un componente non fa alcuna differenza nella stampa 3D e non comporta costi aggiuntivi: la stampante stampa semplicemente ciò che le viene richiesto.

Un software di nuova concezione coordina i parametri

Il gruppo di ricerca di Dillenburger ha sviluppato un nuovo software di pianificazione specifico per la produzione degli elementi della cassaforma. Questo è in grado di registrare e coordinare tutti i parametri rilevanti per la produzione. Oltre ai dati di base, come le dimensioni della stanza, i ricercatori hanno inserito anche una scansione millimetrica della parete curva, che funge da supporto principale per il soffitto in calcestruzzo. Con l'aiuto del software, la geometria del soffitto è stata adattata in modo da posizionare in ogni punto esattamente la quantità di calcestruzzo necessaria dal punto di vista strutturale in base alla curva di forza. "Non abbiamo disegnato la soletta, l'abbiamo programmata", afferma Mania Aghaei Meibodi, ricercatore senior e responsabile del progetto Smart Slab nel gruppo di Dillenburger. "Con la progettazione analogica non sarebbe mai stato possibile coordinare tutti questi aspetti, soprattutto non con questo livello di precisione".

Osservando il soffitto dal basso, si nota una struttura ornamentale organica con diverse gerarchie. Mentre le nervature principali sponsorizzano i carichi, le nervature più piccole e filigranate sono utilizzate principalmente per l'espressione architettonica e l'acustica della stanza. Con Smart Slab, statica e ornamento vanno di pari passo.

Anche i sistemi per l'illuminazione e gli sprinkler sono integrati nella struttura del soffitto. Anche le loro dimensioni e il loro posizionamento sono stati registrati con il software di progettazione e ritagliati nei punti definiti durante la stampa. In questo modo, la tecnologia dell'edificio scompare in modo elegante e poco ingombrante nel soffitto. Sebbene questo aggiunga solo pochi centimetri alla DFAB House, un giorno potrebbe consentire di inserire alcuni piani aggiuntivi nella stessa altezza dei grattacieli.

Produzione con la semplice pressione di un pulsante

Una volta completata la pianificazione al computer, i dati di produzione possono essere esportati alle macchine semplicemente premendo un pulsante. In Smart Slab sono entrati in gioco diversi partner industriali: uno ha prodotto la cassaforma stampata in 3D in sabbia ad alta risoluzione, che è stata divisa in sezioni delle dimensioni di un pallet per motivi di stampa e trasporto, mentre un altro ha prodotto in parallelo la cassaforma in legno utilizzando una fresa laser CNC. Quest'ultima dà la forma al lato superiore del soffitto dello Smart Slab ed elimina le cavità per risparmiare materiale e peso e creare spazio per i cavi elettrici.

Geometrie complesse danno forma alla superficie in calcestruzzo di Smart Slab. (Immagine: ETH di Zurigo / Demetris Shammas)
Geometrie complesse danno forma alla superficie in calcestruzzo di Smart Slab. (Immagine: ETH di Zurigo / Demetris Shammas)

I due tipi di cassaforma per il calcestruzzo sono stati poi riuniti da una terza azienda. Quest'ultima ha dapprima spruzzato il calcestruzzo fibrorinforzato nella cassaforma a pressione in sabbia per ottenere la superficie finemente nervata del guscio inferiore del calcestruzzo, e poi ha versato il calcestruzzo rimanente nella cassaforma in legno.

Forte grazie alla precompressione

Dopo due settimane di stagionatura, gli undici singoli segmenti di calcestruzzo erano pronti per essere trasportati al NEST. Grazie alla precisa pianificazione e alla prefabbricazione, il tempo in cantiere è stato ridotto al minimo. Una gru ha issato gli elementi in calcestruzzo sul muro sponsor, dove sono stati precompressi in situ: Gli operai hanno tirato cavi d'acciaio in senso longitudinale e trasversale attraverso le travi in calcestruzzo nei tubi già inseriti nella cassaforma. Tendendo i cavi, la capacità portante del sistema può essere aumentata in modo massiccio.

"? stato impressionante vedere come i nostri elementi si siano integrati perfettamente nel cantiere e nei componenti esistenti della DFAB House", afferma Dillenburger. "Dobbiamo anche alla grande collaborazione interdisciplinare con i nostri partner. Il lavoro meticoloso che abbiamo svolto nella progettazione è stato pienamente ripagato".

Umwelt und Geomatik: progettato, pianificato e costruito digitalmente

Otto cattedre dell'ETH di Zurigo, riunite nel polo di ricerca nazionale (PRN) Digital Fabrication, stanno costruendo la DFAB House insieme a partner industriali. L'unità abitativa a tre piani si trova sulla piattaforma di ricerca e innovazione NEST dell'Empa e dell'Eawag a Dübendorf. La fabbricazione della parete "Mesh Mould" nel maggio 2017 ha segnato l'inizio di questo primo edificio al mondo che combina diversi processi di costruzione innovativi e digitali sotto lo stesso tetto. Il completamento è previsto per l'inizio del 2019. La DFAB House servirà poi come alloggio temporaneo per i ricercatori ospiti.

www.dfabhouse.ch  

Partner coinvolti in Smart Slab

Gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo: Cattedra di Tecnologie digitali per l'edilizia, Benjamin Dillenburger (capofila); Cattedra di Materiali da costruzione, Robert Flatt; Cattedra di Progettazione strutturale, Joseph Schwartz

Partner industriali: Bürgin Creations; Frutiger AG; voxeljet AG; Georg Ackermann GmbH; Stahlton AG; Christenguss AG; Fischer Rista AG; Rudolf Glauser AG; Gom International AG

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